Можно ли греть пластинчатый теплообменник паром? Температурные пределы, отвод конденсата и запирание
Да, пластинчатый теплообменник можно греть паром. Пароводяные пластинчатые аппараты широко применяются в тепловых пунктах централизованного теплоснабжения, системах горячего водоснабжения, на предприятиях пищевой промышленности и во многих технологических процессах нагрева. Но пар прощает ошибки хуже, чем схема «вода — вода». Выбор пластинчатого аппарата определяют три вопроса: выдержит ли система уплотнений температуру пара, может ли конденсат свободно уходить из пластин при любой нагрузке и как часто меняется нагрузка?
Это руководство предназначено для покупателей и инженеров, которые рассматривают пластинчатый теплообменник для пара и хотят задать поставщикам правильные вопросы. В каталоге продукции на этом сайте есть разборные пластинчатые теплообменники, сварные пластинчатые теплообменники, пластинчато-кожуховые теплообменники и кожухотрубные теплообменники. Для конкретной задачи отправьте данные по пару и конденсату через форму запроса предложения.
1. Начните с температуры пара
Чем выше давление насыщенного пара, тем выше его температура, поэтому даже пар «низкого давления» может быть близок к пределу прокладки. В таблице приведены температуры насыщения по таблицам водяного пара IAPWS-IF97. Избыточное давление примерно на 1 бар ниже абсолютного.
| Давление пара, бар (абс.) | Примерно бар (изб.) | Температура насыщения |
|---|---|---|
| 2 | 1 | 120,2 °C |
| 4 | 3 | 143,6 °C |
| 6 | 5 | 158,8 °C |
| 8 | 7 | 170,4 °C |
| 10 | 9 | 179,9 °C |
Перегретый пар горячее температуры насыщения при своём давлении, поэтому указывайте фактическую температуру пара, а не только давление. Укажите также наибольшее давление, которое может возникнуть на стороне пара, например если регулирующий клапан откажет в открытом положении, а не только нормальное рабочее давление.
2. В разборном аппарате предел задаёт прокладка
Пластины разборного пластинчатого теплообменника обычно изготавливают из нержавеющей стали, и в работе на паре они редко становятся ограничением. Ограничение — прокладка. В руководстве по прокладкам, опубликованном Heat Exchanger World, для NBR (нитрильного каучука) указан диапазон примерно от -10 °C до 110 °C, а EPDM описан как материал для горячей воды и пара с диапазоном примерно от -10 °C до 150 °C. Паростойкие марки EPDM идут дальше: в 2006 году Alfa Laval сообщила, что её прокладочный материал EPDMP позволяет её пластинчатым теплообменникам работать при температуре до 180 °C, на 20 °C выше, чем с прежними прокладками. На этом сайте для разборного пластинчатого теплообменника Shanghai Heat Transfer Equipment указана расчётная температура до 180 °C и прокладки из NBR, HNBR, EPDM, H-EPDM и FKM.
Отсюда два практических вывода. Во-первых, прокладка, работающая вблизи своей предельной температуры, стареет быстрее, чем прокладка с запасом, поэтому запрашивайте ожидаемый срок службы прокладки при вашей рабочей температуре, а не только её максимальную температуру. Во-вторых, предельные значения зависят от конкретной резиновой смеси и поставщика, поэтому в предложении должна быть названа смесь, предлагаемая для стороны пара, и её температурный предел в паре.
3. Конденсат должен уходить из пластин
В пластинчатом теплообменнике, греемом паром, пар входит через верхний патрубок, конденсируется на пластинах, а конденсат выходит через нижний патрубок. Всё, что задерживает конденсат, затапливает часть пакета пластин. Spirax Sarco называет две основные причины такого затопления: неправильно выбранный тип конденсатоотводчика и запирание (stall). Затопленный аппарат теряет часть поверхности теплообмена, его температуру на выходе становится трудно регулировать, а следом могут появиться гидроудары и коррозия.
Правильная практика на стороне конденсата:
- Используйте конденсатоотводчик, который отводит конденсат сразу по мере его образования. В схемах, которые Spirax Sarco описывает для теплообменников, применяются поплавковые конденсатоотводчики.
- Устанавливайте конденсатоотводчик ниже выхода конденсата, чтобы конденсат поступал к нему самотёком.
- Не поднимайте конденсат сразу после конденсатоотводчика, если давление пара в теплообменнике может сильно упасть.
- Рассчитывайте выходной патрубок и трубопроводы конденсата на наибольший расход конденсата, а не только на нормальный.
4. Запирание: почему паровой подогреватель затапливается при частичной нагрузке
В большинстве паровых теплообменников температуру на выходе регулирует клапан на входе пара. Когда тепловая нагрузка падает, клапан прикрывается, и давление внутри теплообменника снижается. Spirax Sarco определяет запирание как уменьшение или прекращение расхода конденсата, которое происходит, когда давление в теплообменнике равно суммарному противодавлению на конденсатоотводчике или ниже его. Тогда конденсат начинает скапливаться в теплообменнике.
Запирание вероятнее, когда:
- при снижении нагрузки растёт температура вторичной среды на входе или падает её расход;
- снижается уставка температуры на выходе;
- конденсат нужно поднимать или возвращать в напорную конденсатную линию;
- поверхность теплообменника больше, чем нужно для задачи. Spirax Sarco отмечает, что из-за коэффициентов запаса и стандартных типоразмеров теплообменники часто имеют большую поверхность нагрева, чем требуется, и это ещё сильнее снижает давление пара при частичной нагрузке.
Spirax Sarco описывает три основных способа борьбы с запиранием:
| Способ | Как работает | Когда подходит |
|---|---|---|
| Вакуумный прерыватель и отвод самотёком | Вакуумный прерыватель после регулирующего клапана впускает воздух, и конденсат самотёком стекает к поплавковому конденсатоотводчику, установленному на 0,5–1 м ниже выхода и сбрасывающему конденсат при атмосферном давлении или в открытый бак, сообщающийся с атмосферой | Конденсат может свободно стекать в открытый дренаж или в открытый бак |
| Насос-конденсатоотводчик | Насос, работающий от давления пара, вместе с поплавковым конденсатоотводчиком удаляет конденсат даже тогда, когда давление пара ниже противодавления | Конденсат нужно поднимать или возвращать в напорную линию |
| Стабильное давление пара | Температура регулируется на вторичной стороне, поэтому давление в паровом пространстве всегда остаётся выше противодавления | Процесс допускает регулирование на стороне воды или продукта |
Те же правила действуют для пластинчатых и трубчатых аппаратов. При покупке определите, кто проектирует и поставляет регулирующий клапан, узел конденсатоотводчика и линию возврата конденсата: поставщик теплообменника, изготовитель блочной установки или ваш подрядчик. Многие предложения охватывают только сам теплообменник.
5. Термоциклирование и пуск
Пар очень быстро нагревает холодный пакет пластин. Большие и частые перепады температуры нагружают прокладки, а в паяных пластинчатых теплообменниках со временем могут вызвать усталостное разрушение паяных соединений. Если процесс позволяет, открывайте паровой клапан при пуске медленно, избегайте двухпозиционного регулирования подачи пара (вкл./выкл.) и спросите поставщика, есть ли ограничения по скорости пуска или числу циклов. Сообщите поставщику, как часто аппарат пускается и останавливается: система горячего водоснабжения, которая включается и выключается много раз в день, — совсем другая задача, чем технологический подогреватель непрерывного действия.
6. Какая конструкция для какой паровой задачи
| Конструкция | Где подходит | Что проверить |
|---|---|---|
| Разборный пластинчатый теплообменник | Насыщенный пар низкого давления для нагрева воды или чистых жидкостей, если температура пара в пределах допустимой для прокладки | Резиновая смесь и срок службы прокладки, размер парового патрубка, отвод конденсата |
| Паяный пластинчатый теплообменник | Небольшие паровые подогреватели и компактные блочные установки | Нельзя разобрать для очистки; термоциклирование; совместимость припоя с обеими средами |
| Сварной пластинчатый теплообменник (блочного типа) | Более высокие температуры и давления, где прокладки неприемлемы | Доступ для очистки, расчётное давление и расчётная температура, контроль |
| Пластинчато-кожуховый теплообменник | Высокое давление или высокая температура в компактном аппарате | Какая среда идёт со стороны корпуса, способ очистки |
| Кожухотрубный теплообменник | Пар высокого давления или перегретый пар, большие нагрузки, сильные колебания нагрузки или загрязнённый конденсат | Больше площадь и масса; минимальный температурный напор обычно больше, чем у пластинчатых |
Для справки: по данным каталога на этом сайте, сварной пластинчатый теплообменник HT-BLOC рассчитан на давление до 4,0 МПа и температуру до 400 °C, а пластинчато-кожуховый теплообменник Lanshi — до 6,0 МПа и 580 °C. Это пределы для серии; параметры конкретного аппарата зависят от его конструкции и материалов.
7. Что отправить вместе с запросом предложения для пара
| Параметр | Что указать |
|---|---|
| Давление пара на входе в теплообменник | Минимальное, нормальное и максимальное, после регулирующего клапана |
| Состояние пара | Насыщенный или перегретый, с его температурой |
| Тепловая нагрузка или расход пара | При расчётной и при минимальной нагрузке |
| Вторичная среда | Среда, расход, температуры на входе и выходе |
| Выход конденсата | Противодавление, подъём после конденсатоотводчика, тип системы возврата |
| Способ регулирования | Клапан на стороне пара или регулирование на вторичной стороне |
| Режим работы | Непрерывный или число пусков и остановок в день |
| Расчётные данные | Расчётное давление и расчётная температура, нормы, например PED или ASME |
| Объём поставки | Только теплообменник или вместе с регулирующим клапаном, узлом конденсатоотводчика и рамой |
Минимальная нагрузка важна не меньше расчётной. Аппарат, рассчитанный только на пиковую нагрузку, может большую часть срока службы работать на грани запирания.
8. Что это значит для покупателей
Пластинчатый теплообменник хорошо работает как паровой подогреватель, когда температура пара остаётся в пределах допустимой для прокладки с запасом, конденсат может уходить при любой нагрузке, а нагрузка не включается и не выключается много раз в день. Когда давление пара выше, пар перегретый или систему конденсата нельзя спроектировать так, чтобы избежать запирания, более надёжным выбором часто становится сварной пластинчатый, пластинчато-кожуховый или кожухотрубный аппарат. Попросите поставщиков указать пределы по стороне пара для предлагаемого аппарата и объяснить, как был решён отвод конденсата в похожих проектах. Для подготовки запроса смотрите материалы какие данные отправить перед запросом цены на теплообменник и руководство по выбору между пластинчатым и кожухотрубным теплообменником.
Источники и связанные страницы
- Spirax Sarco, теплообменники и запирание: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/heat-exchangers-and-stall
- Spirax Sarco, практические способы предотвращения запирания: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/practical-methods-of-preventing-stall
- Таблицы водяного пара Spirax Sarco, линия сухого насыщенного пара: https://www.spiraxsarco.com/resources-and-design-tools/steam-tables/dry-saturated-steam-line
- Heat Exchanger World, руководство по прокладкам пластинчатых теплообменников: https://heat-exchanger-world.com/?p=69916
- Process Engineering (2006), прокладки Alfa Laval EPDMP для температуры до 180 °C: https://processengineering.co.uk/article/1294851/enhanced-temperature-performance-takes-gaskets-to-new-levels
- Разборные пластинчатые теплообменники на HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ru/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/gasketed-plate-heat-exchanger
- Сварные пластинчатые теплообменники HT-BLOC на HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ru/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/ht-bloc-welded-plate-heat-exchanger
- Кожухотрубные теплообменники на HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ru/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger